基于BIM 技術(shù)的建筑火災(zāi)模擬人員疏散分析

徐詩杰 王建栓 王建強(qiáng)

（1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，邯鄲 056038；2.天津大學(xué)建筑設(shè)計研究院，天津 300073；3.河北工程大學(xué)，邯鄲 056038）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑層出不窮，根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布近10 年全國高層居住場所火災(zāi)情況，2012 年～2021 年，我國共發(fā)生住宅現(xiàn)場火災(zāi)事故132.4 萬起，導(dǎo)致11 634 人死亡、6 738 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約77.7 億元。

我國火災(zāi)研究相比國外而言，起步較晚，1990 年到1995 年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了我國第一個國家重點(diǎn)實驗室。丁厚成[1]利用火災(zāi)仿真軟件FDS 對高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬,以研究煙霧流動特征及其有關(guān)參數(shù)的變動特性,獲取了火災(zāi)煙霧擴(kuò)散及對人員安全疏散的影響結(jié)果。陶浩文[2]利用火災(zāi)仿真軟件FDS 對建筑火災(zāi)中頂棚射流現(xiàn)象進(jìn)行模擬，研究了火源熱釋放速率與火源距頂棚高度不同時等條件的影響。李建偉[3]利用遞歸坐標(biāo)二分法,對模型進(jìn)行了區(qū)域劃分和進(jìn)行火災(zāi)事故的并行計算,以分析在不同分區(qū)數(shù)下并行計算的加速效應(yīng)。李志明[4]采用數(shù)值模擬的方法對改造后項目方案在發(fā)生火災(zāi)時的火災(zāi)蔓延、溫度場及煙氣流動等現(xiàn)象變化規(guī)律進(jìn)行分析。趙平[5]通過FDS 對戶外建筑保溫材料著火、室內(nèi)木板材料著火、存放在房間內(nèi)的保溫材料起火的火災(zāi)情況進(jìn)行仿真,得出火災(zāi)的參數(shù)值的規(guī)律。張議丹[6]利用FDS+Evac 和Pathfinder 疏散軟件對服裝廠建筑內(nèi)同一火災(zāi)場景下人員疏散進(jìn)行了模擬，得出人員疏散的有效時間。靳自兵[7]運(yùn)用CFAST3.1.7 區(qū)域火災(zāi)模擬軟件,得出建筑起火房間CO2 和CO 體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。王印[8]研究BIM 設(shè)計軟件Revit 和火災(zāi)仿真軟件FDS 的信息交互技術(shù),以進(jìn)行BIM 模型向火災(zāi)仿真模型的自動轉(zhuǎn)換。張瑩[9]得到將BIM 技術(shù)和Pyrosim 的火災(zāi)仿真軟件二者結(jié)合,可進(jìn)一步提高仿真模擬建模的效率、精度,便于開展對比研究工作有著重大的價值。道吉草[10]通過分析了BIM 建模與火災(zāi)仿真建模間的差異之處,并采用了Autodesk Revit API 的二次開發(fā)技術(shù),成功完成了BIM 建筑模型和FDS 火災(zāi)仿真模型之間的轉(zhuǎn)換。

以上對高層建筑不同樓層發(fā)生火災(zāi)時，煙氣、溫度和能見度的變化對樓層的影響研究較少，本文以此為研究方向展開研究。

1 BIM 技術(shù)與火災(zāi)動態(tài)模擬

基于BIM 可視化特點(diǎn)，將模型以三維的形式直觀展示出來，對于后期火災(zāi)仿真模擬，分析人員疏散安全通道有著極大的應(yīng)用價值；基于BIM 優(yōu)化性特點(diǎn)，模型完成前，可對該工程存在問題進(jìn)行及時改善，提升了模型完成效率，確保模型的順利完成?；贐IM模擬性特點(diǎn)，平時進(jìn)行的火災(zāi)演練，成本大，且演練人員沒有緊張感，疏散時常散漫，結(jié)果參考價值不大，通過BIM 模擬性特點(diǎn)，大大節(jié)約了演練成本，且可以設(shè)置合理參數(shù)進(jìn)行多次仿真模擬，結(jié)果的精準(zhǔn)性能夠得到保障，確定其與火災(zāi)動力學(xué)軟件結(jié)合的應(yīng)用價值。

Pyrosim 是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研發(fā)的，以FDS 程序為基礎(chǔ)的火災(zāi)動態(tài)模擬軟件，本文通過與BIM 技術(shù)相結(jié)合，以IFC 兼容格式，搭建BIM 技術(shù)與Pyrosim 一個中間橋梁，實現(xiàn)火災(zāi)模擬的合理轉(zhuǎn)化。導(dǎo)入在Pyrosim 中再通過對表面屬性的修改，添加所需的煙霧探測器、溫度場、能見度等信息，通過Smoke View 能夠直觀的觀測到火災(zāi)煙氣、溫度和熱量的動態(tài)擴(kuò)散過程。

2 BIM 模型與Pyrosim 數(shù)值模擬

2.1 建筑概況

該建筑為天津大學(xué)高科技樓，地處天津南開區(qū)鞍山西道科貿(mào)街東側(cè)，南臨鞍山西道；東臨衛(wèi)津路；西臨天大天財公司；北臨天大北五村小區(qū)，與天大填料大樓隔路相望?？偨ㄖ娣e36 818 ㎡，其中，地上31 204 ㎡，地下5 614 ㎡。科技樓由主樓和裙房兩部分組成，分為A、B 兩區(qū)。A 區(qū)為主樓，B 區(qū)為裙房。建筑主體高度為43.4m。建筑設(shè)計使用年限：3 類（50 年）。本工程依據(jù)使用性質(zhì)屬高層一類綜合辦公樓，其耐火等級為一級，地下室耐火等級為一級，裙房的耐火等級為二級。高科技樓由辦公用房、公共用房、服務(wù)用房和設(shè)備用房組成。主樓：一、二層為對外辦事大廳、辦公樓大廳及咖啡廳；三至十層為開敞辦公室及單間辦公室；十一層為設(shè)備用房（水箱間，電梯機(jī)房）。裙房：一、二層為對外辦事大廳，員工餐廳；三至四層為大開間辦公室；二層有六部樓梯用于逃生；四層有五部樓梯用于逃生；九層有三部樓梯用于逃生。樓梯號按照從左至右的順序編號，九層平面圖如圖1 所示。

2.2 Revit 模型建立

在Revit 中提前建立好每一層的立面標(biāo)高，將CAD 圖紙導(dǎo)入到Revit 中，確定好項目基點(diǎn)，確保之后每一層能夠一一對應(yīng)上，根據(jù)圖紙畫出軸網(wǎng)，再進(jìn)行等比例放大。對墻體賦予材質(zhì)屬性，最后根據(jù)圖紙進(jìn)行建模。模型效果圖如圖2 所示。

圖2 Revit 模型效果圖

Revit 建立模型完成后，以IFC 格式導(dǎo)出后，在Pyrosim 中打開，工具欄在Model 中Door 刪除，即模型中門的位置為門洞，認(rèn)為門窗處于打開狀態(tài)，煙氣可以從門洞處通過。

2.3 火災(zāi)初始條件設(shè)置

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017 規(guī)定，辦公室、教室等無噴淋時火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱釋放速率為6MW，如表1 所示。

表1 火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的熱釋放速率

初始環(huán)境溫度：20℃;

初始環(huán)境相對濕度：50%;

環(huán)境大氣壓：101 325Pa;

火災(zāi)增長類型：快速火；

自然風(fēng)速:15m/s;

火災(zāi)最大熱釋放量：6WM;

火災(zāi)模擬運(yùn)行時間：500s。

2.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

該建筑采取非穩(wěn)態(tài)的t2火災(zāi)模型，單位熱釋放速率為1 000KW/㎡，火災(zāi)增長系數(shù)為0.044KW/s2。根據(jù)最不利原則，假設(shè)無噴淋及機(jī)械排煙設(shè)備，采取門窗自然排煙，所有門窗均為開啟狀態(tài)。該樓層呈L 形分布，因考慮到計算機(jī)性能和模擬時長，對網(wǎng)格切分為三個區(qū)域，在使用多重網(wǎng)格時，根據(jù)FDS 使用手冊規(guī)定，相同精度得網(wǎng)格對齊是被允許的，Mesh-a 網(wǎng)格劃分為75*47*27，Mesh-b 為85*47*27，Mesh-c 為85*47*31，單元格尺寸均為1.0*1.0*1.0，網(wǎng)格總數(shù)為326 885。在火災(zāi)探測點(diǎn)添加熱電偶，距離地面1.5m 處，測量該點(diǎn)溫度隨時間變；CO 探測器，距離地面1.7m，測量CO含量變化；煙霧探測器，距離地面1.8m 處，探測煙霧濃度變化規(guī)律；溫度，能見度切片均在Z=2m 處，布置為火源點(diǎn)處和各個樓梯口處。

2.5 火災(zāi)場景設(shè)置

該模型設(shè)置三個火災(zāi)工況，假設(shè)因電路短路發(fā)熱引發(fā)火災(zāi)。

（1）工況一。在二層設(shè)置兩個火源點(diǎn)，分別為A、B 區(qū)的操作間，無噴淋及機(jī)械排煙設(shè)備，自然通風(fēng)；

（2）工況二。在四層辦公室設(shè)置火源點(diǎn)，無噴淋及機(jī)械排煙設(shè)備，自然通風(fēng)；

（3）工況三。在九層資料室設(shè)置火源點(diǎn)，無噴淋及機(jī)械排煙設(shè)備，自然通風(fēng)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣蔓延分析

火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的煙氣對人員疏散有嚴(yán)重的影響，工況一至工況三重要時間點(diǎn)煙氣蔓延情況如圖3 ～圖5所示。

圖3 工況一煙霧蔓延情況

火源點(diǎn)著火后，煙氣迅速在著火房間蔓延。

（1）工況一。由圖3（a）中兩個火源點(diǎn)的煙氣在6s 時充滿整個操作間，并開始通過門窗向外部空間蔓延；左側(cè)火源點(diǎn)35s 時煙氣擴(kuò)散至一號樓梯口，155s 濃度達(dá)到100%；右側(cè)火源點(diǎn)煙氣在155s 開始擴(kuò)散到三號樓梯，并通過樓梯向上蔓延，223s 濃度達(dá)到100%；圖3（b）所示，在330s 時，煙氣擴(kuò)散至整個樓層，并通過四號樓梯向上蔓延。155s 之前在該層未從1 號樓梯口疏散走的人群，需從三號樓梯口撤離。二層以上的人員需在330s 之前從最右側(cè)樓梯疏散；

（2）工況二。煙氣在10s 時充滿辦公室，開始向外蔓延；75s 煙氣蔓延至一號樓梯口，并向下擴(kuò)散；150s時左半?yún)^(qū)域煙氣沿走廊擴(kuò)散到每個房間，少量煙氣擴(kuò)散至右半?yún)^(qū)域，四層人員150s 前可在右側(cè)樓梯撤離；330s 時，煙氣通過走廊擴(kuò)散至最右側(cè)樓梯，如圖4 所示；

（3）工況三。煙氣在6s 時充滿房間開始向外擴(kuò)散，逐漸向一號樓梯蔓延；煙氣慢慢填滿整個走廊開始向房間擴(kuò)散，在330s 時，煙氣充斥著每個房間，沿著三號樓梯上下蔓延，八層有少量煙氣涌入，十層幾乎充滿了每個房間，如圖5 所示。

圖5 工況三煙霧蔓延情況

綜合分析來看，在火災(zāi)初期階段，距離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)處受到的影響較小，這段時間正是疏散人員的安全時段，能夠極大的減少傷亡，但隨著火災(zāi)的蔓延，房間煙氣濃度會迅速激增。在高層建筑中，可增加一些防排煙設(shè)備，延長逃生時間。

3.2 溫度模擬分析

根據(jù)相關(guān)研究，人體耐受溫度選取60℃作為臨界溫度。溫度變化曲線如圖6（a）～（c）所示。

圖6 溫度變化曲線

（1）工況一。由圖6（a）溫度變化曲線可知，在火源點(diǎn)的房間溫度迅速增加，t=12s 時，操作間的溫度達(dá)到臨界溫度值60℃，即火災(zāi)發(fā)生時，12s 之前必須撤離操作間。隨著火災(zāi)的蔓延，走廊的溫度逐漸升高，各個樓梯口的溫度出現(xiàn)變化，一號樓梯口在318s 時達(dá)到60℃，即左側(cè)人員若在一號樓梯口撤離，需318s 之前撤離到安全位置。T=433s 和336s 時，四號和五號樓梯達(dá)到臨界溫度，而中部樓梯距離火源點(diǎn)最遠(yuǎn)且大廳空間較大，溫度一直處于安全范圍；

（2）工況二。由圖6（b）中除了位于火源中心的辦公室在t=4s 時溫度就達(dá)到臨界溫度，其余樓梯口均處于安全閥值溫度；

（3）工況三。由圖6（c）中火源中心的資料室在t=3s 時，達(dá)到臨界溫度，需立即撤離，最靠近火源點(diǎn)的一號樓梯，在127s 時，達(dá)到60℃。其余樓梯在模擬時間內(nèi)溫度均在安全范圍。

綜上所述，溫度對于人員疏散有很大影響，不同樓層溫度達(dá)到安全閥值的時間也不同，可根據(jù)人員距離各個樓梯口的所在位置達(dá)到臨界溫度的時間，選取合理的逃生通道。

3.3 CO 濃度分析

CO 在火災(zāi)中是人員傷亡的一個重要因素，根據(jù)相關(guān)研究，選取CO 濃度5×10-4mol/mol 為臨界溫度。各個樓層CO 含量變化曲線如圖7（a）～（c）所示。

圖7 CO 濃度變化曲線

（1）工況一。圖7（a）隨著火災(zāi)的蔓延，煙氣從火源房間擴(kuò)散到走廊至樓梯口，煙氣中CO 含量不斷積累，從變化曲線可知，從37s 時開始有緩慢上升的趨勢，130s 開始有明顯的增長，一直上升到317s 達(dá)到峰值，呈小幅度波動后穩(wěn)定。其中，在145s 時達(dá)到臨界點(diǎn)，此時會危害到人體安全，且CO 含量還在上升階段，即人員在145s 之后需避開這一區(qū)域進(jìn)行疏散，從二號樓梯進(jìn)行撤離。二號樓梯距離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)且外部窗戶打開，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣也隨著門窗排除室外，故CO 含量一直維持在一個安全范圍。三號樓梯口在153s后出現(xiàn)明顯增長趨勢，并持續(xù)穩(wěn)步增長，且在180s 時達(dá)到人體危險值，需要選擇另外的逃生通道進(jìn)行撤離。四號樓梯在320s 后出現(xiàn)大幅度增長，此時整個樓層CO 含量均達(dá)到一個危險數(shù)值，嚴(yán)重影響人體安全，需在此之前進(jìn)行緊急疏散；

（2）工況二。圖7（b）中一號、二號樓梯隨著煙氣的擴(kuò)散一直持續(xù)增長，分別在75s 和95s 時達(dá)到安全閾值，在此之后，人員需從右側(cè)樓梯進(jìn)行緊急疏散?；馂?zāi)煙氣蔓延至右半?yún)^(qū)域的時間較為緩慢右側(cè)樓梯CO含量能夠較長時間維持在安全范圍；

（3）工況三。圖7（c）一號樓梯在40s 之后大幅度增長，到261s 達(dá)到峰值，人員需要緊急避險。二號樓梯和三號樓梯分別在177s 和187s 達(dá)到臨界點(diǎn)并還在持續(xù)增長。故在九層人員需在187s 之前從三號樓梯口全部疏散。

3.4 能見度分析

火災(zāi)發(fā)生時，煙氣不斷的在建筑物內(nèi)蔓延，空氣中的有毒氣體含量增加，隨著大量煙氣的積累，建筑物中的能見度逐漸降低，對于人員疏散造成很大的困擾。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，選取能見度為5m 作為臨界值。圖8 ～圖10 為能見度切片視圖。

圖8 工況一能見度切片視圖

（1）工況一。如圖8（a）～（b）所示,著火房間在8s 內(nèi)就迅速降至臨界值，人員應(yīng)在8s 前迅速逃離火源房間；80s 時，圖8（a）左右兩側(cè)樓梯能見度已處于安全閾值之外，此時不利于人員撤離；130s 時，圖8（b）煙氣擴(kuò)散至左半?yún)^(qū)域，人員只能從二號樓梯撤離至安全區(qū)域。近三號樓梯口大廳空間較大且煙氣從窗戶排出，使得能見度能夠長時間維持在安全范圍之內(nèi)，有利于人員疏散。

（2）工況二。30s 時，如圖9（a）～（b）所示,圖9（a）正對火源房間的二號樓梯口已到達(dá)臨界值，此時人員可從左右兩側(cè)樓梯進(jìn)行疏散；160s 時，煙氣蔓延至整個左半?yún)^(qū)域，能見度降至安全閾值下，且煙氣開始擴(kuò)散至右側(cè)走廊，人員需盡快從右側(cè)樓梯撤離；200s 時，三號樓梯也充滿煙氣，煙氣開始從走廊向房間蔓延；450s 時整個走廊充斥著煙氣，樓梯口能見度也降至臨界值以下，對人員疏散造成很大困擾。

圖9 工況二能見度切片視圖

（3）工況三。30s 時，如圖10（a）～（b）所示,圖10（a）近火源樓梯口已經(jīng)充斥著煙氣，能見度低于臨界值，此處樓梯不能用于人員疏散，煙氣開始從走廊蔓延至右側(cè)區(qū)域；在130s 時煙氣蔓延至二號樓梯，145s 時，圖10（b）三號樓梯達(dá)到臨界值，煙氣充滿整層樓梯，對人員安全由很大影響，故需在145s 前從三號樓梯口撤離。

圖10 工況三能見度切片視圖

能見度變化曲線如圖11（a）～（c）所示。

圖11 能見度變化曲線

4 總結(jié)

本文通過對天津大學(xué)高科技樓為研究對象，以BIM 和火災(zāi)模擬軟件相結(jié)合的方式，得出以下結(jié)論：

（1）本文利用BIM 技術(shù)建模，對天津大學(xué)高科技樓不同樓層進(jìn)行火災(zāi)仿真模擬，分析得到人員最佳疏散所需時間；

（2）可以添加火災(zāi)報警裝置，能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)?；馂?zāi)突發(fā)時，近火源點(diǎn)處人員立即發(fā)現(xiàn)并緊急撤離是最佳疏散時間，遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的區(qū)域，短時間內(nèi)受到的影響不大；

（3）BIM 技術(shù)在高層建筑火災(zāi)模型中的使用價值，為火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)急指揮、人員疏散提供重要指導(dǎo)意義。